Системы слежения за солнцем относятся к числу наиболее динамичных с точки зрения теплового режима механических сред, с которыми когда-либо сталкивалась муфта. Двигатель, редуктор и приводной вал системы слежения начинают каждый день при температуре окружающей среды — которая в солнечных электростанциях в пустыне может быть ниже нуля зимними утрами — и достигают рабочей температуры к полудню, когда прямое солнечное излучение на конструкцию системы слежения в сочетании с высокими температурами окружающей среды может поднять температуру конструкционной стали на 60–80 °C выше утреннего базового уровня. Этот тепловой цикл повторяется каждый день в течение 25–30-летнего расчетного срока службы солнечной установки, накапливая тысячи циклов теплового расширения и сжатия на каждом конструктивном элементе и компоненте привода.
Муфта, соединяющая приводной двигатель и исполнительный механизм трекера с торсионной трубой или поворотным приводом, должна компенсировать боковое смещение вала, возникающее в результате ежедневного теплового расширения, без передачи разрушительных радиальных сил на подшипники двигателя или редуктора — и она должна надежно справляться с этой задачей в течение десятилетий, в условиях окружающей среды с воздействием ультрафиолетового излучения, пыли, экстремальных температур и минимальным доступом для технического обслуживания. Олдхэмская пара Эта проблема решается благодаря возможности бокового смещения для поглощения звука, использованию полимерного диска, работающего всухую, и наличию коррозионностойких материалов, подходящих для наружной установки.
Как тепловое расширение приводит к смещению валов в приводах трекеров
Типичный горизонтальный одноосевой трекер (HSAT) состоит из стальной торсионной трубы, установленной на подшипниках через равные промежутки по всей ее длине и приводимой в движение линейным актуатором или поворотным приводом в центральной опоре. Двигатель и редуктор установлены на неподвижной опорной конструкции рядом с точкой привода, а муфта соединяет выходной вал редуктора с интерфейсом привода торсионной трубы.
В течение дня конструкция трекера нагревается, а стальная труба крутящего момента и опорная конструкция двигателя подвергаются термическому расширению. Поскольку эти две конструкции имеют разную геометрию, разную ориентацию относительно солнца и разную тепловую инерцию, они расширяются не с одинаковой скоростью и не в одном и том же направлении. В результате возникает суточный цикл бокового смещения вала между выходным валом редуктора и осью привода трубы крутящего момента — смещение, которое может составлять от 0,2 до 0,8 мм при пиковой разнице температур в зависимости от геометрии установки и расстояния между креплением двигателя и подшипником трубы крутящего момента.
Жесткая муфта в этом положении передает термическое смещение в виде изгибающей нагрузки как на подшипник выходного вала редуктора, так и на подшипник торсионной трубы. За тысячи ежедневных термических циклов — приблизительно 3650 циклов за десятилетие — эта циклическая нагрузка представляет собой усталостную нагрузку, которая постепенно сокращает срок службы подшипников. В солнечной установке, рассчитанной на 25 лет эксплуатации с минимальным доступом для технического обслуживания, преждевременный выход подшипников из строя из-за нагрузок, создаваемых муфтой, является недопустимым видом отказа.
Применение приводов одноосевых трекеров
В горизонтальных одноосевых трекерах используется либо централизованная система привода — один двигатель и редуктор на каждый ряд панелей, соединенные с торсионной трубой в центре ряда, — либо распределенная система привода с индивидуальными приводами на каждой панели. В обеих конфигурациях муфта на стыке редуктора и торсионной трубы должна компенсировать описанное выше тепловое смещение.
Муфта Олдхэма используется в этом положении специально благодаря возможности компенсации бокового смещения при нулевой нагрузке на подшипник. Гибкая муфта, создающая упругие возвратные силы — сильфонная или балочная конструкция — передавала бы циклическое тепловое смещение в виде циклической радиальной нагрузки на подшипник редуктора: именно той усталостной нагрузки, которой необходимо избегать в установке с минимальным техническим обслуживанием и сроком службы 25 лет. Муфта Олдхэма поглощает смещение за счет своего скользящего диска с нулевой реактивной силой, защищая подшипники редуктора и торсионной трубы от усталостных нагрузок, вызванных муфтой, на протяжении всего срока службы установки.
Системы слежения не требуют нулевого люфта в той же мере, как прецизионные сервосистемы — точность позиционирования панели, необходимая для максимального сбора энергии, обычно находится в диапазоне от ±0,1 до ±0,5 градусов, что достижимо при использовании муфты с небольшим люфтом. Однако в конструкциях слежения с замкнутым контуром управления положением на основе энкодера, соединение муфты с энкодером требует нулевого люфта для стабильной работы контура управления.
Применение двухосевых трекеров
Двухосевые трекеры (с отслеживанием как по азимуту, так и по углу места) используются в системах концентрированной фотоэлектрической энергии (CPV) и концентрированной солнечной энергии (CSP), где требования к точности слежения более строгие — обычно в пределах ±0,05 градуса для поддержания фокусировки на небольшом приемнике. В этих системах используются сервоприводы с обратной связью от энкодера, а требования к сопряжению сочетают в себе точность сервопривода с особенностями работы в условиях окружающей среды, характерными для солнечных трекеров.
В трекерах CPV и CSP муфты Олдхема используются как на соединении с энкодером (нулевой люфт, электрическая изоляция, нулевая нагрузка на подшипники энкодера), так и на соединении с основным приводом (компенсация бокового смещения за счет теплового расширения, нулевая нагрузка на подшипники прецизионного редуктора). Для таких высокоточных применений на открытом воздухе обычно используются ступицы из нержавеющей стали и диски из PEEK — нержавеющая сталь обеспечивает коррозионную стойкость в прибрежных или влажных пустынных условиях, а PEEK — температурную стабильность, необходимую для непрерывной работы на открытом воздухе в условиях высоких температур окружающей среды.
Выбор материалов для наружных солнечных электростанций
Внешняя среда, в которой размещается солнечная электростанция, предъявляет к материалам требования, выходящие за рамки тех, которые встречаются в типичных промышленных приложениях:
Воздействие УФ-излучения: Стандартный ацетал (ПОМ) подвержен УФ-деградации при длительном воздействии внешних факторов. УФ-излучение разрушает полимерную цепь, вызывая образование мелового налета на поверхности, охрупчивание и повышение хрупкости. В системах слежения, работающих на открытом воздухе и подверженных прямому солнечному излучению, следует использовать УФ-стабилизированный ацетал или альтернативный материал для дисков. Полиэфирэфиркетон (PEEK), наполненный углеродным волокном, по своей природе черный и поглощает УФ-излучение без деградации, что делает его подходящим материалом для дисков, используемых на открытом воздухе. Если возможно защитить муфту от прямых солнечных лучей с помощью простого покрытия или защитного кожуха, можно с уверенностью использовать стандартные ацеталовые диски.
Конденсация и круговорот влаги: Ежедневные перепады температуры от холодных утренних часов до жарких послеполуденных приводят к образованию конденсата на холодных металлических поверхностях во время фазы охлаждения. В прибрежных или влажных пустынных условиях конденсат, насыщенный солью, особенно сильно коррозирует алюминиевые ступицы. Стандартный алюминий 6061 без специальной обработки поверхности в таких условиях будет подвергаться коррозии в течение 25 лет эксплуатации. Анодированный алюминий обеспечивает лучшую коррозионную стойкость; твердое анодирование алюминия еще более долговечно. Для прибрежных районов или условий соленого тумана ступицы из нержавеющей стали 316L являются наиболее консервативным вариантом, позволяющим полностью избежать проблем с коррозией.
Экстремальные температуры: В солнечных электростанциях в пустыне наблюдаются перепады температур: от ниже -20°C зимними ночами до выше +60°C летом днем, при этом температура соединительных компонентов достигает еще более высоких значений из-за прямого солнечного нагрева. Низкотемпературная хрупкость ацетала — он становится значительно более хрупким при температуре ниже 0°C — означает, что замена диска или аварийное техническое обслуживание в холодных условиях сопряжены с риском хрупкого разрушения, если с диском обращаться неосторожно. Значительно меньшая низкотемпературная хрупкость PEEK делает его более надежным материалом для установок в условиях холодных ночей.
Проблемы доступности при техническом обслуживании
Системы слежения за солнцем обычно занимают большие площади — на крупной солнечной электростанции могут быть тысячи таких систем, распределенных на сотнях гектаров. Поэтому стоимость обслуживания каждой отдельной системы является важным эксплуатационным фактором, и минимизация частоты технического обслуживания является одной из основных целей проектирования.
Конструкция муфты Олдхэма со сменными дисками хорошо подходит для решения этой задачи. Когда в конечном итоге требуется замена диска — обычно через несколько лет при правильной настройке системы слежения за солнцем — замена занимает пять минут на каждую муфту без перенастройки вала или нарушения монтажной конструкции. Специалист по техническому обслуживанию с небольшим набором сменных дисков и динамометрическим ключом может обслуживать несколько муфт в день. Сравните это с муфтами с сильфонами, которые требуют полной замены и перенастройки, что занимает значительно больше времени и может потребовать участия двух специалистов.
Для крупномасштабных установок эксплуатирующая компания должна разработать программу замены дисков, основанную на ожидаемом сроке службы в конкретных условиях установки — климате, рабочем цикле и материале диска — и заранее запастись достаточным количеством запасных дисков для всей установки. Стоимость хранения запасных дисков минимальна по сравнению со стоимостью незапланированного выезда на техническое обслуживание удаленного ряда трекеров.
Рекомендуемые технические характеристики для систем слежения за солнцем.
| Тип/местоположение трекера | Материал ступицы | Материал диска | Основная причина |
|---|---|---|---|
| HSAT, засушливая местность во внутренних районах | Анодированный алюминий | УФ-стабилизированный ацеталь или ПЭЭК | Низкая влажность, приоритет защиты от УФ-излучения. |
| HSAT, прибрежная или влажная местность | нержавеющая сталь 316L | ПИК | Устойчивость к солевому туману и конденсации |
| HSAT, холодный климат (ниже -20°C) | нержавеющая сталь 316L | ПИК | Прочность при низких температурах, отсутствие хрупкости при низких температурах. |
| Двухосевой трекер CPV/CSP | нержавеющая сталь 316L | ПИК | Точность + работа в условиях открытого воздуха + длительный срок службы |
Заключение
Приводы солнечных трекеров сочетают в себе три требования, которые встречаются по отдельности в других областях применения, но редко используются вместе: компенсация бокового смещения, вызванного тепловым расширением, при суточных температурных циклах от 50 до 80 °C; длительный срок службы в условиях окружающей среды с воздействием УФ-излучения, влаги и экстремальных температур; и минимальный доступ для технического обслуживания в крупных распределенных установках. Муфта Олдхема решает все три задачи благодаря своему механизму скользящего диска, который компенсирует тепловое смещение без нагрузки на подшипники в течение десятилетий ежедневных циклов, а также благодаря выбору материалов, обеспечивающих устойчивость к УФ-излучению, температуре и коррозии, соответствующую климату каждой установки. При правильном выборе ступиц из нержавеющей стали и дисков из PEEK для сложных условий эксплуатации, а также материалов, стабилизированных УФ-излучением, для прямого воздействия солнечного света, муфта Олдхема в приводе солнечного трекера будет надежно работать в течение всего расчетного срока службы установки, составляющего от 25 до 30 лет, при этом единственным требованием к техническому обслуживанию будет периодическая проверка и замена дисков.
Просмотрите наш Ассортимент соединительных муфт Oldham для наружного и солнечного применения. с вариантами ступицы из нержавеющей стали и диска из PEEK, или свяжитесь с нашей командой рекомендации по выбору материалов с учетом климатических условий установки и конструкции трекера.
